JP6572644B2 - 撮像光学系および撮像装置 - Google Patents
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Description
構成レンズ枚数が比較的少ない撮像光学系としては、例えば、特許文献1〜3に記載されたものが知られている。
特許文献1〜3に記載された撮像光学系は、固体撮像素子による画像取得を意図して、レトロフォーカスに近い構成となっている。
(1) 2.00 < |f1/f| < 20.00
(4) 0.10 < T12/f < 1.00
を満足する。
図1〜図5に、撮像光学系の実施の形態を5例示す。これら5例の実施の形態は、この順序で、後述する実施例1〜5の撮像光学系に相当する。
これらの図において、図の左方が「物体側」、図の右方が「像側」である。
繁雑を避けるため、これら図1〜図5において、符号を共通化する。
これらの図において、符号1Gは「第1レンズ群」、符号2Gは「第2レンズ群」、符号Sは「開口絞り」を示す。また、符号F1は、例えば、赤外線カットフィルタ等の「各種フィルタ」を表す。
図1〜図5において、符号Imは「像面」を示し、固体撮像素子は、その受光面を像面Imに合致させて配置される。
第1レンズ群1Gは、2枚のレンズL1、L2を物体側から像側へ、この順序に配列して構成されている。レンズL1は「両凹形状の負レンズ」即ち両凹レンズであり、レンズL2は「正レンズ」である。
第2レンズ群2Gは、説明中の実施の形態においては、開口絞りS側から像側へ向かって順に、第2Fレンズ群2FGと第2Rレンズ群2RGを配して構成されている。
第2Fレンズ群2FGは、負レンズL3と正レンズL4とを接合してなり、負レンズL3を開口絞りS側にして配置される。負レンズL3は物体側に凹面を向けている。
第2Rレンズ群2RGは、1枚の正レンズL5により構成されている。
上記の如く、この発明の撮像光学系は、開口絞りSを介して、物体側の第1レンズ群は「負の屈折力」を持ち、像側の第2レンズ群は「正の屈折力」を持つ。即ち、この発明の撮像光学系は「レトロフォーカス型」である。
レトロフォーカス型の撮像光学系では、周知の如く、像面へ入射する結像光線の入射角の像高による変化が小さい。從って、固体撮像素子により撮像を行なう撮像装置の撮像光学系として適している。
レトロフォーカス型以外の撮像光学系は、広角化しようとすると、一般に「軸外光の像面への入射角度が増大しがち」であるが、この発明の撮像光学系は「レトロフォーカス型」であるので、上記広角化に伴う「入射角度の増大」を有効に抑制することができる。
従って、この発明の撮像光学系は「広角化」が容易である。
物体側に配される両凹レンズの「像側の凹レンズ面」と、その像側の正レンズとの組み合わせは「球面収差の補正を容易化できる組み合わせ」であり、特に「撮像光学系を大口径化する場合に増大する球面収差」の補正に有効である。
従って、第1レンズ群を上記の如き構成としたことにより、この発明の撮像光学系は、球面収差の増大を抑制しつつ「広角化」を容易に実現できる。
また、第1レンズ群内の負レンズの「物体側面を凹面」とすることで、歪曲収差の制御が容易になる。第1レンズ群内の負レンズは「両凹形状」であるので、両面の負の屈折力により、負レンズ単体で「大きな負の屈折力」を実現しやすい。このため、第1レンズ群の負レンズには「比較的屈折率の低い低分散ガラス」の採用が容易になり、色収差の制御が容易になる。
(1) 2.00 < |f1/f| < 20.00
(4) 0.10 < T12/f < 1.00
第2レンズ群は「物体側に凹面を向けた負レンズと正レンズとの接合レンズを含む第2Fレンズ群」と「第2Fレンズ群の像側に配されて正の屈折力を有する第2Rレンズ群」とにより構成することができる。
この場合には、以下の条件(2)、(3)の1以上を単独で、もしくは、上記条件(1)、(4)とともに満足することが好ましい。
(2) 3.00 < |f2F/f| < 40.00
(3) 0.30 < |f2F1/f| < 2.00 。
(5) 0.15 < f/AL < 0.50 。
f1:第1レンズ群の焦点距離(<0)
f2F:第2Fレンズ群の焦点距離(>0または<0)
f2F1:第2Fレンズ群の接合レンズの「物体側に凹面を向けた負レンズ」の焦点距離(<0)
T12:第1レンズ群の最も像側のレンズ面から第2レンズ群の最も物体側のレンズ面までの光軸上距離(空気間隔)(>0)
AL:無限遠合焦時における第1レンズ群の最も物体側のレンズ面から像面までの光軸上距離(空気間隔)(>0) 。
条件(1)は、全系の焦点距離:fに対する第1レンズ群の焦点距離:f1の好適な範囲を規定する条件である。
条件(1)のパラメータ:|f1/f|が大きく(小さく)なることは、第1レンズ群の持つ「負の屈折力」が、弱く(強く)なることを意味する。
条件(1)の上限を超えると、撮像光学系の有する「レトロフォーカス型」の特性が弱まり、撮像光学系の大型化を招来し易くなる。また、第1レンズ群内で「主に球面収差のやりとり」が過剰となって、製造誤差感度のバランスが悪化する恐れがある。
条件(1)の下限を超えると、第1レンズ群の負の屈折力が過剰に強くなり、第2レンズ群内を通過する軸外光が高くなり、第2レンズ群の大径化、延いては撮像光学系全体の大型化を招来し易くなる。また、開口絞りを挟む第1レンズ群と第2レンズ群と間の「各種収差のやりとり」が過大となって、製造誤差感度のバランスが悪化する恐れもある。
なお、条件(1)のパラメータ:|f1/f|は、条件(1)よりも若干狭い、条件:
(1A) 2.50 < |f1/f| < 15.00
を満足することが好ましい。
条件(2)のパラメータ:|f2F/f|が大きく(小さく)なることは、第2Fレンズ群の持つ屈折力が弱く(強く)なることを意味する。
撮像光学系は「実像結像系」であるから、全系の屈折力は正であり、第2レンズ群の正の屈折力が第1レンズ群の負の屈折力を凌駕することにより、全系の正の屈折力を得る。
また、撮像光学系のレトロフォーカス型の特性が弱まるか、もしくは第2Rレンズ群が大径化し、撮像光学系全体が大型化する恐れがある。
条件(2)の下限を下回ると、第1レンズ群と第2Fレンズ群との間の各種収差のやりとりが過大となり、製造誤差感度が上昇する恐れがある。
(2A) 4.00 < |f2F/f| < 30.00
を満足することが好ましい。
条件(3)の上限を超えると、第2Fレンズ群内の「負レンズと正レンズのペア」が担っている色収差補正能力が低下して色収差補正が困難となり易い。
条件(3)の下限を下回ると、第2Fレンズ群の接合レンズ内でやりとりされる収差が過大となり、製造誤差感度が上昇する恐れがある。また、負レンズに接合される正レンズに「超高屈折率硝材」が必要となってコスト上昇する恐れもある。
条件(3)のパラメータは、より好適には、条件(3)よりも若干狭い、条件:
(3A) 0.40 < |f2F1/f| < 1.50
を満足するのが良い。
条件(4)のパラメータ:T12/fが大きく(小さく)なることは、第1レンズ群と第2レンズ群の「開口絞りを介したレンズ面間隔」が、大きく(小さく)なることを意味する。
条件(4)の上限を超えると、第2レンズ群内を通る軸外光が過大に高くなり、第2レンズ群が大径化し、軸外収差補正が難しくなり易く、撮像光学系全体も大型化し易い。
条件(4)の下限を超えると、第1レンズ群内を通る軸外光が過剰に低くなり易く、各像高の光束の重複範囲が大きくなって、歪曲収差等の軸外収差補正が困難になり易い。
条件(4)のパラメータ:T12/fは、より好適には、条件(4)よりも若干狭い、以下の条件:
(4A) 0.15 < T12/f < 0.80
を満足するのが良い。
条件(5)のパラメータ:f/ALが大きく(小さく)なることは、レンズ系全長に対して焦点距離が長く(短く)なることを意味する。
条件(5)の上限を超えると、射出瞳が像面から離れ、結像光学系としては所謂「前絞り系」に近くなり、主に歪曲収差の補正が困難となり易い。
条件(5)の下限を超えると、歪曲収差等の収差補正上は有利になるが、光学全長が長大化し易くなる。
第1レンズ群の最も像側のレンズ面から第2レンズ群の最も物体側のレンズ面までの光軸上距離(前述の「T12」)は、上述の如く条件(4)(より好ましくは条件(4A))を満足することが好ましい。
開口絞りを挟んで物体側の「負の屈折力(第1レンズ群)」と像側の「正の屈折力(第2レンズ群)」とを配置し、これらの間隔を比較的広くとることで、十分な画角の確保と球面収差をはじめとする各種収差補正を両立させることが容易になる。
この発明の撮像光学系は勿論、レンズ面として非球面形状を用いることができるが、非球面を形成するレンズをガラスレンズとする場合には、ガラスモールドにより非球面を形成することにより、非球面を低コストで形成できる。
撮像光学系における歪曲収差の補正に関しては、上記条件(4)、(5)に関連して説明した。撮像光学系により結像された画像を「固体撮像素子を用いて取得」する場合には、周知の如く、固体撮像素子により電子的なデータに変換された画像データに対し、歪曲収差を電子的な演算処理により補正できることが知られている。
このような電子的な演算処理に歪曲収差補正を行う場合には「電子的な演算処理に歪曲収差補正」が可能な範囲内で、撮像光学系自体の歪曲収差はある程度の大きさが許容される。しかし、この場合でも、電子的な歪曲収差補正の手法や画像劣化を考慮すると、撮影光学系で生じる歪曲収差は「像高に対して変曲点を持たない」こと、最大で−25%程度未満であることが好ましい。
撮像光学系の具体的な実施例を挙げる前に、撮像光学系を用いる撮像装置の実施の形態例として、ステレオカメラ装置と車載カメラ装置を簡単に説明する。
図11において、符号11A、11Bは撮像光学系であり、同一仕様のものである。
撮像光学系11A、11Bとしては、請求項1ないし請求項9の何れか1項に記載のもの、具体的には、実施例1ないし5の適宜のものを用いる。
符号12A、12Bは固体撮像素子であり、例えばCCDセンサやCMOSセンサを用いることができる。
撮像光学系11Aは、物体Obの像を固体撮像素子12Aの受光面に結像させる。
撮像光学系11Bは、物体Obの像を固体撮像素子12Bの受光面に結像させる。
そして、デジタル情報化された画像情報に基づき、物体Obまでの距離を演算により算出する。即ち、制御演算部13は「撮像素子12A、12Bから入力され、デジタル情報化された画像情報」に対して歪曲収差の電子的な補正を行い、このように歪曲収差を補正された画像情報に基づき、物体Obまでの距離を演算産出する。
制御演算部13では、各撮像素子12A、12Bに結像する物体Obの像位置に基づき、像位置間の距離:D+Δを求める。
撮像光学系の焦点距離:f、上記基線長:Dを用いると、上記の如く求められた「D+Δ」により、撮像面から物体Obまでの距離:Zは、次式:
Z=f{1+(D/Δ)}
により算出される。
これが、ステレオカメラ装置による距離測定である。
図12(a)において、符号14により示された撮像装置は「車載カメラ装置」として、車両AUに載置され、車両外の画像情報を取得する。
車載カメラ装置14は、図12(b)に示すように、撮像系120と制御演算部13Cとを有する。撮像系120は、撮像光学系11Cと固体撮像素子12Cとを有する。
車両AUに搭載された車載カメラ装置14は、車両外の画像情報を取得してデジタル情報化する。デジタル情報化された画像情報は、制御演算部13Cで画像処理等のデジタル処理を受け、適宜の方法で表示される。
撮像光学系11Cとしては、請求項1ないし請求項9の何れか1項に記載のもの、具体的には、実施例1ないし5の適宜のものを用いる。
なお、図12(b)における撮像系120と制御演算部13Cの部分(車載カメラ装置14)を、図11の「ステレオカメラ装置」に代えることができる。
即ち、図11に示すステレオカメラ装置は、これを車載カメラ装置として車両に搭載することができる。
Fno :Fナンバ
ω :半画角
Y' :最大像高
R :曲率半径
D :面間隔
Nd :d線における屈折率
νd :アッベ数
K :非球面の円錐定数
A4 :4次の非球面係数
A6 :6次の非球面係数
A8 :8次の非球面係数
A10 :10次の非球面係数 。
X = CH2/{1+√(1-(1+K)C2H2)} + A4・H4 + A6・H6 + A8・H8 + A10・H10 + 。
f=5.53、 Fno=1.57、 ω=34.7
面番号 R D Nd νd 硝種
1 -20.000 0.80 1.51633 64.14 S-BSL7(OHARA)
2 4.826 1.02
3 7.234 1.51 1.92286 18.90 S-NPH2(OHARA)
4 30.000 0.97
5 (絞り) 0.93
6 -5.210 1.80 1.84666 23.78 S-TIH53(OHARA)
7 7.902 2.58 1.71700 47.93 S-LAM3(OHARA)
8 -6.369 0.15
9* 7.776 2.67 1.61881 63.85 M-PCD4(HOYA)
10 -12.064 1.00
11 ∞ 0.30 1.54437 70.71 各種フィルタ
12 ∞ 6.35
13 ∞ 0.40 1.50680 46.07 カバーガラス
14 ∞ BF 。
非球面のデータを以下に示す。
「第9面」
K= -0.10208, A4= -5.16075E-04, A6= -1.69452E-06,
A8= 3.12012E-08, A10= -1.87456E-09
非球面の表記において、例えば「-1.87456E-09」は「-1.87456×10-9」を意味する。以下においても同様である。
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件(1) 8.01
条件(2) 8.86
条件(3) 0.63
条件(4) 0.34
条件(5) 0.26 。
f=5.52、 Fno=1.59、 ω=34.6
面番号 R D Nd νd 硝種
1 -29.642 0.80 1.51633 64.14 S-BSL7(OHARA)
2 4.197 0.29
3 5.970 1.49 1.92286 18.90 S-NPH2 (OHARA)
4 22.816 0.17
5 (絞り) 1.18
6 -4.278 1.71 1.89286 20.36 S-NPH4(OHARA)
7 17.795 2.30 1.80400 46.58 S-LAH65V(OHARA)
8 -5.697 0.15
9* 7.285 2.95 1.61881 63.85 M-PCD4(HOYA)
10 -12.620 1.00
11 ∞ 0.30 1.54437 70.71 各種フィルタ
12 ∞ 5.25
13 ∞ 0.40 1.50680 46.07 カバーガラス
14 ∞ BF 。
非球面のデータを以下に示す。
「第9面」
K= -0.06384, A4= -6.02437E-04, A6= -2.72886E-06,
A8= -1.94106E-08, A10= -1.02174E-09 。
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件(1) 8.61
条件(2) 21.87
条件(3) 0.68
条件(4) 0.24
条件(5) 0.29 。
f=5.50、 Fno=1.40、 ω=34.7
面番号 R D Nd νd 硝種
1 -21.01100 0.80 1.49700 81.54 S-FPL51(OHARA)
2 4.73700 0.96
3* 9.66700 3.99 1.92286 20.88 M-FDS1 (HOYA)
4 34.99700 1.13
5 (絞り) 0.67
6 -6.07000 0.98 1.84666 23.78 S-TIH53(OHARA)
7 11.29400 2.68 1.80400 46.58 S-LAH65V(OHARA)
8 -6.42700 0.15
9* 7.93300 3.00 1.61881 63.85 M-PCD4(HOYA)
10 -15.23600 1.00
11 ∞ 0.30 1.54437 70.71 各種フィルタ
12 ∞ 5.96
13 ∞ 0.40 1.50680 46.07 カバーガラス
14 ∞ BF 。
非球面のデータを以下に示す。
「第3面」
K= -0.45091, A4= -2.89980E-05, A6= -1.30023E-05,
A8= 1.75267E-06, A10= -1.47667E-07
「第9面」
K= 0.08660, A4= -4.57309E-04, A6= -8.46306E-07,
A8= -1.39586E-07, A10= 2.17038E-09 。
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件(1) 3.46
条件(2) 10.39
条件(3) 0.83
条件(4) 0.33
条件(5) 0.24 。
f=5.62、 Fno=1.60、 ω=35.2
面番号 R D Nd νd 硝種
1 -9.49400 0.80 1.48749 70.24 S-FSL5 (OHARA)
2 5.22000 1.30
3* 10.53000 1.45 1.92286 20.88 M-FDS1 (HOYA)
4 -200.00000 0.15
5 (絞り) 2.57
6 -6.91600 1.50 1.84666 23.78 S-TIH53 (OHARA)
7 10.79100 2.41 1.67790 55.34 S-LAL12 (OHARA)
8 -6.79700 0.15
9* 7.85100 2.58 1.61881 63.85 M-PCD4(HOYA)
10 -13.87800 1.00
11 ∞ 1.51 1.54437 70.71 各種フィルタ
12 ∞ 6.12
13 ∞ 0.40 1.50680 46.07 カバーガラス
14 ∞ BF 。
非球面のデータを以下に示す。
「第3面」
K= 0.36679, A4= 1.57670E-04, A6= -2.75540E-05,
A8= 2.56131E-06
「第9面」
K= 0.00338, A4= -4.79265E-04, A6= 6.02514E-07,
A8= -2.41014E-07, A10= 5.19489E-09 。
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件(1) 5.13
条件(2) 17.87
条件(3) 0.85
条件(4) 0.48
条件(5) 0.24 。
f=5.53、 Fno=1.59、 ω=34.7
面番号 R D Nd νd 硝種
1 -17.19500 0.80 1.51633 64.14 S-BSL7 (OHARA)
2 4.11400 0.45
3* 6.34500 1.77 1.82115 24.06 M-FDS910 (HOYA)
4 180.00000 1.54
5 (絞り) 0.62
6 -4.70600 1.80 1.84666 23.78 S-TIH53 (OHARA)
7 9.93800 2.44 1.71700 47.93 S-LAM3 (OHARA)
8 -5.95000 0.15
9* 7.68900 2.49 1.61881 63.85 M-PCD4(HOYA)
10 -12.07400 1.00
11 ∞ 0.30 1.54437 70.71 各種フィルタ
12 ∞ 6.25
13 ∞ 0.40 1.50680 46.07 カバーガラス
14 ∞ BF 。
非球面のデータを以下に示す。
「第3面」
K= 0.21624, A4= 1.93498E-04, A6= 1.74635E-05,
A8= 1.08075E-06
「第9面」
K= -0.12273, A4= -5.27254E-04, A6= -2.16755E-06,
A8= 4.92547E-08, A10= -2.10189E-09 。
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件(1) 8.26
条件(2) 8.97
条件(3) 0.65
条件(4) 0.39
条件(5) 0.26 。
物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を持つ第1レンズ群1G、開口絞りS、正の屈折力を持つ第2レンズ群2Gを配して構成され、第1レンズ群1Gは、物体側から像側へ向かって順に、両凹形状の負レンズL1、正レンズL2を配して構成され、第2レンズ群は、開口絞りS側から像側に向かって順に、物体側に凹面を向けた負レンズL3と正レンズL4との接合レンズと、1枚の正レンズL5とを配して構成され、全系の焦点距離:f、第1レンズ群の焦点距離:f1、第1レンズ群の最も像側のレンズ面から第2レンズ群の最も物体側のレンズ面までの光軸上距離:T12が、条件:
(1) 2.00 < |f1/f| < 20.00
(4) 0.10 < T12/f < 1.00
を満足する撮像光学系(実施例1〜5)。
[1]記載の撮像光学系であって、第2レンズ群は2G、物体側に凹面を向けた負レンズL3と正レンズとの接合レンズである第2Fレンズ群2FGと、該第2Fレンズ群の像側に配される第2Rレンズ群2RGとにより構成され、前記第2Rレンズ群は正の屈折力を有する1枚の正レンズL5である撮像光学系(実施例1〜5)。
[2]記載の撮像光学系であって、第2Rレンズ群2RGを構成する1枚の正レンズL5が両凸レンズである撮影光学系(実施例1〜5)。
[3]記載の撮像光学系であって、全系の焦点距離:f、第2Fレンズ群の焦点距離:f2Fが、条件:
(2) 3.00 < |f2F/f| < 40.00
を満足する撮像光学系(実施例1〜5)。
[1]〜[4]の何れか1に記載の撮像光学系であって、全系の焦点距離:f、第2レンズ群2Gにおいて開口絞りS側に配置される接合レンズにおける物体側の負レンズL3の焦点距離:f2F1が、条件:
(3) 0.30 < |f2F1/f| < 2.00
を満足する撮像光学系(実施例1〜5)。
[1]〜[5]の何れか1に記載の撮像光学系であって、第1レンズ群1Gの最も像側のレンズ面から第2レンズ群2Gの最も物体側のレンズ面までの光軸上距離が、光学系全体において最大の空気間隔である撮像光学系(実施例1〜5)。
[1]〜[6]の何れか1に記載の撮像光学系であって、全系の焦点距離:f、無限遠合焦時における第1レンズ群の最も物体側のレンズ面から像面までの光軸上距離:ALが、条件:
(5) 0.15 < f/AL < 0.50
を満足する撮像光学系(実施例1〜5)。
[1]〜[7]の何れか1に記載の撮像光学系を有する撮像装置(図11)。
[8]記載の撮像光学系であって、撮影画像をデジタル情報とする機能を有する撮像装置(図11、図12)。
車載用撮像装置として用いられる[8]または[9]記載の撮像装置(図11、図12)。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
2G 第2レンズ群
S 開口絞り
F1 各種フィルタ
F2 カバーガラス
2FG 第2Fレンズ群
2RG 第2Rレンズ群
Claims (10)
- 物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を持つ第1レンズ群、開口絞り、正の屈折力を持つ第2レンズ群を配して構成され、
第1レンズ群は、物体側から像側へ向かって順に、両凹形状の負レンズ、正レンズを配して構成され、
第2レンズ群は、開口絞り側から像側に向かって順に、物体側に凹面を向けた負レンズと正レンズとの接合レンズと、1枚の正レンズとを配して構成され、
全系の焦点距離:f、第1レンズ群の焦点距離:f1、第1レンズ群の最も像側のレンズ面から第2レンズ群の最も物体側のレンズ面までの光軸上距離:T12が、条件:
(1) 2.00 < |f1/f| < 20.00
(4) 0.10 < T12/f < 1.00
を満足する撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系であって、
第2レンズ群は、物体側に凹面を向けた負レンズと正レンズとの接合レンズである第2Fレンズ群と、該第2Fレンズ群の像側に配される第2Rレンズ群とにより構成され、前記第2Rレンズ群は正の屈折力を有する1枚の正レンズである撮像光学系。 - 請求項2記載の撮像光学系であって、
第2Rレンズ群を構成する1枚の正レンズが、両凸レンズである撮影光学系。 - 請求項2または3に記載の撮像光学系であって、
全系の焦点距離:f、第2Fレンズ群の焦点距離:f2Fが、条件:
(2) 3.00 < |f2F/f| < 40.00
を満足する撮像光学系。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載の撮像光学系であって、
全系の焦点距離:f、第2レンズ群において開口絞り側に配置される接合レンズにおける物体側の負レンズの焦点距離:f2F1が、条件:
(3) 0.30 < |f2F1/f| < 2.00
を満足する撮像光学系。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載の撮像光学系であって、
第1レンズ群の最も像側のレンズ面から第2レンズ群の最も物体側のレンズ面までの光軸上距離が、光学系全体において最大の空気間隔である撮像光学系。 - 請求項1〜6の何れか1項に記載の撮像光学系であって、
全系の焦点距離:f、無限遠合焦時における第1レンズ群の最も物体側のレンズ面から像面までの光軸上距離:ALが、条件:
(5) 0.15 < f/AL < 0.50
を満足する撮像光学系。 - 請求項1ないし7の何れか1項に記載の撮像光学系を有する撮像装置。
- 請求項8記載の撮像装置であって、
撮影画像をデジタル情報とする機能を有する撮像装置。 - 車載用撮像装置として用いられる請求項8または9記載の撮像装置。
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